Reliable and delay-bounded data transmission in industrial and safety-critical applications

Abstract

Seit der Entwicklung des ersten Sensornetzwerks wurden diese in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen eingesetzt. Solch ein Netzwerk besteht aus mehreren Knoten, die drahtlos miteinander kommunizieren können. Der größte Vorteil solcher Netzwerke ist, dass keine Kabel benötigt werden, wodurch die Installation stark vereinfacht wird und die Kosten eines solchen Netzwerks signifikant gesenkt werden. Die ersten Sensornetzwerke wurden für Anwendungsbereiche mit geringen Anforderungen gebaut, wie z.B. für die Überwachung von Tieren in Nationalparks oder zur Umweltüberwachung. In diesen Bereichen ist Energieeffizienz das einzige, auf das geachtet werden muss. In den letzten Jahren wurde verstärkt versucht, Sensornetzwerke auch in anspruchsvolleren Anwendungen, wie z.B. in Industriesteuerungen oder in sicherheitskritischen Systemen, einzusetzen. In diesen Anwendungen spielt nicht nur Energieeffizienz eine Rolle, sondern es müssen auch Verzögerung und Zuverlässigkeit berücksichtigt werden. Wenn in einer solchen Anwendung ein Kabel durch ein Sensornetzwerk ersetzt wird, dann werden die Knoten typischerweise entlang einer Linie, mit relativ großem Abstand zwischen den Knoten, positioniert. Eine derartige Anordnung nennt man lineares Sensornetzwerk, welches bestimmte Eigenschaften hat, die berücksichtigt werden müssen bzw. ausgenutzt werden können. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Protokoll für ein lineares Sensornetzwerk zu erstellen, welches Kabel in sicherheitskritischen Anwendungen ersetzen kann. Daher muss das Protokoll sehr hohe Anforderungen bezüglich Energieeffizienz, Verzögerung und Zuverlässigkeit erfüllen. Um die Ziele dieser Arbeit zu erreichen, erfolgt zuerst eine genaue Untersuchung ähnlicher wissenschaftlicher Arbeiten. Es existieren einerseits Forschungsarbeiten, die sich mit der Anwendung von Sensornetzwerken in sicherheitskritischen Anwendungsbereichen befassen, und andererseits solche, die lineare Sensornetzwerke untersuchen. Es gibt jedoch keine Arbeit, die beides berücksichtigt. Trotzdem werden die Erkenntnisse dieser Arbeiten beim Entwurf des Protokolls berücksichtigt. Beim Design von Software für Sensornetzwerke ist es wichtig, auch die Hardware zu berücksichtigen. Daher wird eine geeignete Hardware-Plattform ausgewählt und die Fähigkeiten dieser identifiziert, um diese ausnutzen zu können. Um die Leistungsfähigkeit des Protokolls evaluieren zu können, wird dieses auf der ausgewählten Hardware implementiert, um so Messungen bezüglich Energieeffizienz, Verzögerung und Zuverlässigkeit durchführen zu können.

Since the development of the first Wireless Sensor Network (WSN), they have been used in various application domains. Such a network consists of several, which are able to communicate wirelessly. The biggest advantage of WSNs is that no cabling is necessary, which eases deployment and reduces the cost significantly. The first networks were built for domains with low requirements, like animal and environmental monitoring, where energy efficiency is the only design goal, but in recent years efforts were made to support more demanding domains, like industrial control and safety-critical applications. In these domains energy efficiency is not the only design goal any more, but delay and reliability also have to be considered. When replacing a cable with a WSN, the nodes are typically placed along a line with rather large distances between them, resulting in a linear topology. Such a network is called Linear Wireless Sensor Network (LWSN) and has special properties which need to be taken care of or can be exploited. The goal of this thesis is to provide a protocol for LWSNs which is able to replace cabling in safety-critical applications. This puts high requirements in terms of delay, reliability and energy efficiency on the protocol. In order to achieve the goal of this thesis, the related work was analyzed in depth. Research on WSNs for safety-critical applications and for WSNs with a linear topology exists, but there is no available research which considers both aspects. Nevertheless, the findings of the related work were considered when designing the protocol. When designing software for embedded systems it is essential to also consider the hardware. Necessary hardware features were identified and a suitable hardware platform was selected. In order to evaluate the protocol, it was implemented on the chosen platform and measurements of energy consumption, delay and reliability were performed. This thesis contributes towards adapting WSNs for applications in the safety-critical domain. It provides a flexible protocol for LWSNs which can be used to replace cabling in safety-critical applications. It will be shown that the protocol is able to reduce delay and increase reliability compared to existing protocols. Additionally, it will be shown how delay and energy consumption can be calculated depending on the number of used nodes, in order to check if the application requirements are met. Furthermore, it will be shown how the reliability of the protocol can be tested under various conditions by using a simulation framework.